Введение к работе
Актуальность проблемы. Контактная сеть (КС) является важнейшей частью системы электроснабжения железных дорог, должна обладать высокой надежностью. Из всех элементов системы электроснабжения КС находится в самых тяжелых условиях эксплуатации и подвержена постоянному воздействию токоприемников, неблагоприятному воздействию различных метеорологических факторов, в том числе гололеда. При всех воздействиях КС должна обеспечивать бесперебойный и качественный токосъем в самых сложных условиях эксплуатации. Проблема обеспечения надежного токосъема приобретает все большее значение, т.к. в настоящее время состояние КС определяется стадией старения на большей части своей протяженности. По данным Управления электрификации и электроснабжения Центральной дирекции инфраструктуры - филиала ОАО «РЖД» удельная повреждаемость КС на участках со сроком службы более 40 лет превышает среднесетевой уровень и ухудшает надежность работы системы тягового электроснабжения в целом. Это происходит на фоне ежегодного увеличения протяженности КС со сроком службы более 40 лет на 1500…1800 км. В процессе эксплуатации на КС, в том числе из-за старения элементов, их интенсивного и неравномерного износа, изменения различных параметров, возникают сосредоточенные дефекты, нарушающие токосъем. Особенно опасными являются устойчивые дефекты, вызывающие дуговой токосъем при каждом проходе дефекта токоприемником электроподвижного состава (ЭПС). Дуговые нарушения вызывают значительный износ и термическое разупрочнение контактирующих элементов с последующим интенсивным его развитием и возникновению повреждений КС и возможным авариям. По данным за 2012 год доля пережогов проводов в общем количестве повреждений КС составляет 17%. Доля пережогов проводов над токоприемниками также не снижается и составляет 50…65% (данные 2011 г.). В отказах проводов и тросов наиболее повреждаемые – контактные провода (45,4% в отказах проводов и тросов). Дефекты, порождающие дуговой токосъем, являются скрытыми, т.к. КС – объект значительной протяженности, диагностика ее крайне затруднена, автоматизированное обнаружение таких дефектов отсутствует, визуальный поиск неэффективен. Также КС подвержена опасным внешним воздействиям в виде гололедных отложений и от токоприемников ЭПС, имеющих определенные отклонения от норм или получивших определенный дефект уже в процессе работы на линии. Такие воздействия также могут сопровождаться дуговыми процессами при токосъеме, что крайне отрицательно сказывается на состоянии КС, на ее безаварийной работе и безопасности движения. Такие воздействия опасны и приводят к пережогам КС и порождают новые скрытые дефекты, интенсивно развивая уже имеющиеся опасные дефекты. В процессе текущей эксплуатации такие скрытые воздействия требуется обнаруживать на ранней стадии их появления с целью принятия соответствующих мер по их устранению и предупреждающих отказ, появление возможных аварий, что позволит повысить надежность КС и безопасность движения.
Решение проблемы обеспечения высокой надежности КС и качественного токосъема проводится в направлении совершенствования и разработки методов расчета, создание новых более совершенных конструкций КС, токоприемников и их взаимодействия. Значительный вклад в разработку теории, методов расчета, в решение проблем обеспечения качественного токосъема, построения систем и средств контроля основных параметров КС внесли и вносят ученые и инженеры практически всех железнодорожных вузов России, ОАО «НИИЖТ», ведущих проектных институтов и конструкторских бюро, инженеры, занятые эксплуатацией КС и ЭПС, а также ученые и практики зарубежных научных школ.
Определение текущего состояния КС и совершенствование системы ее технического обслуживания по текущему состоянию должно опираться на диагностику. Вместе с тем в эксплуатации автоматизированный контроль текущего состояния КС в настоящее время проводится только при плановых объездах участков вагоном-лабораторией (ВИКС) с периодичностью два объезда участка в квартал. Существующая система контроля текущего состояния КС и нарушений токосъема с использованием ВИКС не имеет пока надежных аппаратных средств регистрации, способных обнаружить многие дефекты КС, сопровождающиеся дуговым токосъемом. Поэтому отсутствуют четкие методологические рекомендации для работников районов по устранению сосредоточенных дефектов с устойчивыми дуговыми нарушениями токосъема. Такая система определения текущего состояния КС только из ВИКС имеет ограниченные возможности. Диагностика из ВИКС не предназначена для обнаружения состояний КС с дуговым токосъемом, возникающим в режиме образования гололеда или для обнаружения токоприемников с имеющимися дефектами. Системы, способные своевременно распознавать начальную стадию оседания гололеда на КС или обнаруживать на линии неисправные токоприемники с дефектами, порождающими дуговой токосъем, в настоящее время отсутствуют. Здесь требуется развитие существующей системы не только в направлении создания автоматизированных систем для ВИКС, распознающих скрытые дефекты КС, но и в новом направлении создания стационарных территориально рассредоточенных систем распознавания режимов ее работы при неблагоприятных внешних воздействиях. Такая задача ставится впервые у нас в стране и в мире.
Дуговые воздействия на КС являются крайне нежелательным и вредным фактором. Но вместе с тем они несут в себе информацию о возникновении и причинах появления дуговых нарушений. Поэтому дуговой токосъем можно использовать как основной признак для распознавания обнаружения гололедных образований на ранней стадии появления, токоприемников с дефектами и устойчивых дефектов КС. Очевидно, что создание предлагаемых систем требует использования дистанционных (бесконтактных) методов регистрации дуги по электромагнитным радио- и оптическим излучениям. Разработки в данном направлении как у нас в стране, так зарубежом носят единичный, фрагментарный и несистемный характер. Такая задача требует исследования предлагаемых диагностических признаков дугового токосъема, прежде всего, с целью определения их достоверности. В такой постановке вопроса данная задача также ставится впервые.
Особенно важно для эксплуатации иметь не только мобильные (для ВИКС) системы и достаточно достоверные средства регистрации дефектных мест с дуговыми нарушениями токосъема, но и конкретные методологические рекомендации по обнаружению дефектов на КС с учетом случайности проявления регистрируемых признаков, а также по использованию полученных результатов для определения степени опасности и очередности устранения устойчивых дефектов. В широком смысле не менее важным вопросом является разработка стационарных систем обнаружения начальной стадии гололедных образований и неисправных токоприемников, разработка методологических и алгоритмических основ достоверного распознавания системой таких воздействий на КС.
Таким образом, возникает научная проблема диссертационного исследования, которая состоит в развитии существующей информационной системы диагностики состояния КС за счет интегрированных в нее новых автоматизированных систем для обнаружения опасных внешних воздействий и скрытых дефектов, в развитии теории и практики создания таких систем на основе исследования бесконтактных методов регистрации, вероятностных моделей оптимальной регистрации диагностических признаков с учетом случайности их параметров и на фоне, создания алгоритмических и методологических основ обнаружения. Решение проблемы позволит более полно определять текущее состояние КС путем своевременного обнаружения опасных дефектов и внешних воздействий по наличию дугового токосъема, оперативное устранение которых в эксплуатации позволит предотвратить возможные отказы и обеспечит значительный вклад в надежную работу КС в рамках всей отрасли.
Актуальность указанной проблемы подтверждается ее соответствием «Стратегии развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года», а также положениям Технического регламента о безопасности инфраструктуры железнодорожного транспорта (Постановление Правительства РФ 15 июля 2010г. №525) и положениями Технического регламента о безопасности высокоскоростного железнодорожного транспорта (утвержден Постановлением Правительства РФ 15 июля 2010г. №533), где предусматривается создание комплексной системы содержания инфраструктуры ОАО «РЖД». В рамках указанных документов рассматривается постановка вопроса, который входит в направление «Совершенствование управления обеспечением безопасности движения и профилактики аварийности в устройствах электроснабжения» и в частности в приоритетные задачи в области развития систем тягового электроснабжения.
Цель диссертационной работы – повышение надежности электроснабжения и безопасности движения поездов на основе развития информационной системы, теории и методов дистанционной диагностики контактной сети путем создания автоматизированных систем раннего обнаружения скрытых дефектов контактной сети, токоприемников и гололедных воздействий по параметрам электромагнитных радио- и оптических излучений дугового токосъема.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи:
провести систематизацию типов дефектов КС и токоприемников по признаку повторяемости возникновения дуговых нарушений в местах дефектов;
дать обоснование достоверности выбранных диагностических признаков, сопровождающих режимы дуговых нарушений токосъема;
исследовать составы входных сигналов на наличие полезных сигналов и помех, определить их особенности и статистические оценки их параметров в реальных условиях появления дуговых нарушений токосъема;
разработать основные принципы построения и необходимую структуру автоматизированных систем по определению состояния КС на наличие дуговых нарушений токосъема путем бесконтактной регистрации электромагнитных радио- и оптических излучений;
разработать теоретическую основу для оптимального выделения системами случайных диагностических признаков от дуговых нарушений токосъема на фоне разнообразных случайных помех, исследовать регистрирующую и обнаруживающую способности предложенных методов и систем регистрации;
создать алгоритмические и методологические основы обнаружения опасных дефектов КС, дефектных токоприемников и гололедных режимов автоматизированными системами;
провести анализ возможностей использования и технической реализации бесконтактных систем, основанных на регистрации электромагнитных излучений от дуговых нарушений токосъема в обоснованном диапазоне частот для различных видов тяги;
разработать технические средства для автоматизированных систем, в виде спроектированных и внедренных в эксплуатацию опытных образцов.
Предметом исследования являются причины и факторы появления режимов дуговых нарушений токосъема на КС; электромагнитные излучения как диагностические признаки, сопровождающие дуговые нарушения токосъема; методы бесконтактной регистрации; принципы построения оптимальных структур систем регистрации, вероятностные модели распознавания диагностических признаков на фоне разнообразных помех, регистрирующая и обнаруживающая способность систем регистрации; аппаратные средства диагностирования.
Научная новизна работы. В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, на основе которых даны новые технические и технологические решения, которые позволяют повысить надежность КС. Научная новизна заключается в следующем:
-
Предложена концепция развития информационной системы дистанционной диагностики КС на основе создания и интеграции в нее мобильных и стационарных систем для раннего обнаружения скрытых дефектов КС, токоприемников и гололедных образований по электромагнитным радио- и оптическим излучениям дугового токосъема.
-
Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность и эффективность использования выбранных диагностических признаков для решения поставленной цели.
-
Разработаны принципы построения систем для регистрации дуговых нарушений токосъема.
-
Впервые получены результаты статистических исследований оптических сигналов и радиосигналов в различных режимах дуговых нарушений токосъема и посторонних помех в реальных условиях токосъема.
-
Разработана теоретическая база для решения задач для оптимальной регистрации фактов дуговых нарушений токосъема на основе вероятностных моделей оптимальной фильтрации, принятия решений, регистрирующей и обнаруживающей способности систем регистрации.
-
Созданы методологические основы (стратегия) обнаружения устойчивых дефектов КС мобильными оптико-электронными системами с возможностью принятия решения о наличии устойчивого дефекта по результатам текущего объезда участка ВИКС;
-
Разработаны алгоритмические основы распознавания скрытых дефектов КС, неисправных токоприемников и начальной стадии гололедных образований стационарными радиосистемами.
-
Выявлены области применяемости и возможностей технической реализации бесконтактных методов для решения задачи по созданию систем регистрации дуговых нарушений токосъема.
-
Научная новизна теоретических положений (способов) подтверждена тремя авторскими свидетельствами на изобретения и патентом на способ.
Методы исследований. Методологической основой при теоретических и экспериментальных исследованиях является анализ и вероятностный подход к решению проблемы регистрации, обнаружения и распознавания опасных внешних воздействий и скрытых дефектов КС по электромагнитным радио- и оптическим излучениям дугового токосъема.
Теоретическая часть диссертации базируется: на вероятностных моделях оптимального выделения полезных радиосигналов и оптических сигналов от дуговых нарушений токосъема из смеси с различными помехами; на вероятностных моделях обнаружения и распознавания устойчивых дефектов контактной сети, токоприемников и гололедных режимов, составляющих основу методологических и алгоритмических основ их обнаружения. Модели учитывают вероятностный характер уровней регистрируемых параметров и случайность их появления.
Экспериментальная часть основана на статистических исследованиях параметров диагностических признаков регистрации. Экспериментальные исследования проводились на натурных объектах в условиях реального токосъема.
Достоверность научных положений и результатов, полученных в диссертационной работе, базируется на основных положениях статистической радиотехники, основах теории и расчета оптико-электронных приборов, на теории спектрального анализа случайных сигналов и процессов, теории оптимального обнаружения сигналов, теории синтеза электрических цепей, теории принятия решений, теории вероятностей и математической статистики. Достоверность подтверждается результатами натурными испытаниями разработанных образцов радио- и оптических систем регистрации, а также апробацией работы в печати, на международных конференциях и всероссийских конференциях.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе разработанного концептуального подхода к развитию системы текущего состояния контактной сети, на базе проведенных экспериментальных и теоретических исследований созданы системы ранней регистрации опасных режимов дугового токосъема и методологические основы их применения, использование которых позволяет увеличить надёжность электроснабжения и безопасность движения поездов. Системы, разработанные автором, прошли стадию проектирования. Опытные образцы внедрены в эксплуатацию. Планируется использование разработанных автором систем как часть общей системы диагностики инфраструктуры ОАО «РЖД».
Реализация результатов работы. На основании исследований разработаны и внедрены в опытную эксплуатацию:
оптико-электронная система регистрации дуговых нарушений токосъема для ВИКС ДКИ-2 (ВИКС СКЖД, ЮВЖД, Приволжская ЖД, и др.);
радиоэлектронная стационарная система регистрации гололедных режимов токосъема и токоприемников УОГ-2005 (СКЖД) – 2005 г.
выпущен проект стационарной локальной радиосистемы (УОГ-2005) Проектно-конструкторским бюро по электрификации железных дорог - филиалом ОАО «РЖД» №К767.
Работа выполнена в Ростовском государственном университете путей сообщения. Отдельные этапы работы выполнялись в соответствии с приказами МПС, а также в рамках Программы фундаментальных исследований РГУПС на 2001 – 2005 г.г. Разработка образцов автоматизированной радиосистемы для диагностики токосъема проводилась в соответствии с планами НИОКР ОАО «РЖД» на 2002-04 г.г. (номер задания 11.1.28), а также в соответствии с планом НИОКР Северо-Кавказской железной дороги – филиала ОАО «РЖД» на 2005 г. (Распоряжение ОАО «РЖД» №1414р от 09.09.05 г.).
Основные результаты работы доложены на техническом совете Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД», 2003г. (г. Москва); на техническом совете филиала ОАО «РЖД» Северо-Кавказской железной дороги, 2005г. (г. Ростов-на-Дону); на заседании Учебно-методического Совета Федерального агентства железнодорожного транспорта по специальности 190401 – «Электроснабжение железных дорог» с участием заведующих выпускающих кафедр транспортных вузов по данной специальности (г. Омск, 24-27 мая 2011г.); на научно-техническом совете Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД», 2011г. (г. Москва); на расширенном заседании кафедры «Автоматизированные системы электроснабжения» Ростовского государственного университета путей сообщения, 2013г. (г. Ростов-на-Дону); на трех международных симпозиумах; на восьми международных научно-практических конференциях; на семи всероссийских научно-практических конференциях.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 38 печатных работ, (в том числе одна монография, 37 статей, из них 12 – в изданиях, определенных ВАК Министерства образования и науки РФ). Получен один патент РФ на способ. Указанные работы опубликованы автором после защиты кандидатской диссертации в 1987 г. В материалах настоящей работы использованы также необходимые важные принципы, остающиеся актуальными и определяемые тремя авторскими свидетельствами на изобретения, полученными автором до 1987г.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 126 источников и 6 приложений. Общий объем диссертации составляет 285 стр.
